JP5255198B2 - Method for manufacturing a conductor-dielectric interconnect structure - Google Patents
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Description
本開示は、導体−誘電体構造およびこの導体−誘電体構造を作成するための方法に関する。詳細には本開示は、BEOL(Back End of the Line)相互接続構造を作成するための方法に関する。本開示は一般に、メタライゼーション内のボイディング(voiding)、シーム(seam)などの不連続部の発生を低減させる新規のプロセスに関する。本開示によれば、犠牲シード層を使用して、その下のめっきシード層の酸化を防ぐ。 The present disclosure relates to a conductor-dielectric structure and a method for making the conductor-dielectric structure. In particular, this disclosure relates to a method for creating a BEOL (Back End of the Line) interconnect structure. The present disclosure generally relates to a novel process for reducing the occurrence of discontinuities such as voiding and seams in metallization. According to the present disclosure, a sacrificial seed layer is used to prevent oxidation of the underlying plating seed layer.
半導体技術の製造中には、シリコン基板などの半導体基板上に様々な材料の膜が順番に付着され、パターン形成される。バック−エンド−オブ−ライン(BEOL)処理について言えば、これらの材料には、相互接続構造のためのメタライゼーション・レベル、絶縁およびキャッピング(capping)のために使用される誘電体レベル、ならびに相互接続の拡散および酸化を防ぐための障壁層が含まれる。相互接続メタライゼーション向けには現在、デュアル・ダマシン法で製作された銅メタライゼーションが選択されている。誘電体材料には、シラン(SiH4)またはオルトケイ酸テトラエチル(TEOS)前駆物質を使用したプラズマ化学蒸着(PECVD)によって付着させた酸化シリコン、あるいは、化学蒸着(CVD)によって付着させた、高性能相互接続応用向けの有機ケイ酸塩ガラス(organosilicateglass)またはホウリンケイ酸塩ガラス(borophosphosilicate glass:BPSG)が含まれる。有機ケイ酸塩ガラスは、高密度の形態または微細孔を含む形態として付着させることができる。 During the manufacture of semiconductor technology, films of various materials are sequentially deposited and patterned on a semiconductor substrate such as a silicon substrate. For back-end-of-line (BEOL) processing, these materials include metallization levels for interconnect structures, dielectric levels used for insulation and capping, and mutual A barrier layer is included to prevent connection diffusion and oxidation. For interconnect metallization, copper metallization fabricated by the dual damascene method is currently selected. For dielectric materials, silicon oxide deposited by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) using silane (SiH 4 ) or tetraethyl orthosilicate (TEOS) precursor, or high performance deposited by chemical vapor deposition (CVD) Organosilicate glass or borophosphosilicate glass (BPSG) for interconnect applications is included. The organosilicate glass can be deposited as a high density form or a form containing micropores.
障壁層の選択肢には、タンタル、窒化タンタル、窒化タングステン、ルテニウム、イリジウムおよびチタン、ならびにこれらの金属の合金が含まれる。 Barrier layer options include tantalum, tantalum nitride, tungsten nitride, ruthenium, iridium and titanium, and alloys of these metals.
クリティカル・ディメンジョン(critical dimension:CD)が低下するにつれ、拡散障壁およびCuめっきシードの付着に関し、物理蒸着(PVD)技法に起因する共形性および被覆率の問題はいっそう深刻になる。これらの問題は、図9に示すような中心および縁のボイドなど、めっき中の充填の問題を引き起こし、この充填の問題は、信頼性に対する懸念および歩留りの低下を引き起こす。この問題を回避する1つの方法は、PVD材料の全厚を低減させ、拡散障壁とめっきシードの両方の役目を果たす単一のライナ材料層を利用する方法である。前述の問題を克服する他の方法は、従来のPVD技法に比べて良好なステップ・カバレージおよび共形性を提供する化学蒸着(CVD)または原子層付着(ALD)を使用する方法である。 As the critical dimension (CD) decreases, the conformality and coverage problems due to physical vapor deposition (PVD) techniques become more serious with respect to diffusion barrier and Cu plating seed deposition. These problems cause filling problems during plating, such as center and edge voids as shown in FIG. 9, which cause reliability concerns and yield loss. One way to avoid this problem is to reduce the overall thickness of the PVD material and utilize a single liner material layer that acts as both a diffusion barrier and a plating seed. Another way to overcome the aforementioned problems is to use chemical vapor deposition (CVD) or atomic layer deposition (ALD) which provides better step coverage and conformality compared to conventional PVD techniques.
このような材料の一例がルテニウムである(O. Chyan et al.,"Electrodeposition of Coper Thin Film on Ruthenium: A Potential DiffusionBarrier for Copper Interconnects," J. Electrochem. Soc., 150(5), p. C347,2003)。しかし、Ruの表面にCuをめっきすることの問題は、Ru表面が、空気にさらされると酸化しやすいことであり、表面が酸化すると導電率(およびおそらくは付着力)が低下し、その結果めっきが不良となる。パターン形成された構造の極めて不良な充填とは別に、表面酸化物へのCuの不十分な付着力は、エレクトロマイグレーションおよび応力信頼性の懸念を引き起こす。めっき前にフォーミング・ガスおよび水素プラズマに暴露してこの表面酸化物を還元するなどのプロセスの使用によって、この問題に対処することが提案されている。これらの技法の欠点は、1)表面酸化物が再び成長する前に還元されたウェハをめっきしなければならない時間枠(キュー・タイム(Queuetime))が存在すること、ならびに2)還元プロセスに必要な機械類による製造コストの増大および未処理の(raw)プロセス時間の増大などである。
相互接続内のめっきボイドを排除しまたは少なくとも最小限に抑えることができ、現在のめっきツールおよびめっきプロセスと両立する方法が望ましい。 A method that eliminates or at least minimizes plating voids in the interconnect and is compatible with current plating tools and plating processes is desirable.
本開示は、相互接続フィーチャ内のめっきボイドを少なくとも最小限に抑えることを可能にする。 The present disclosure makes it possible to at least minimize plating voids in interconnect features.
具体的には本開示の一態様は相互接続構造を作成するための方法に関し、この方法は、パターン形成されたフィーチャをその内部に有する誘電体層を含む構造を用意するステップと、パターン形成されたフィーチャ内またはバイア内の誘電体層の表面にめっきシード層を付着させるステップと、パターン形成されたフィーチャ内またはバイア内のめっきシード層の表面に犠牲シード層を付着させるステップと、犠牲シード層の厚さを逆めっき(reverse plating)によって低減させるステップと、パターン形成されたフィーチャ内の犠牲シード層の表面に導電性金属をめっきするステップとを含む。 Specifically, one aspect of the present disclosure relates to a method for creating an interconnect structure, the method comprising: providing a structure including a dielectric layer having patterned features therein; Depositing a plating seed layer on the surface of the dielectric layer in the feature or via, depositing a sacrificial seed layer on the surface of the plating seed layer in the patterned feature or via, and sacrificial seed layer Reducing the thickness of the sacrificial seed layer by reverse plating and plating the surface of the sacrificial seed layer in the patterned feature with a conductive metal.
本開示の他の態様は構造に関し、この構造は、パターン形成されたフィーチャをその内部に有する誘電体層と、パターン形成されたフィーチャ内の誘電体層の表面のめっきシード層と、パターン形成されたフィーチャ内のめっきシード層の表面に位置する不連続な犠牲シード層とを含む。 Another aspect of the present disclosure relates to a structure, which is patterned with a dielectric layer having a patterned feature therein, a plating seed layer on the surface of the dielectric layer within the patterned feature, and And a discontinuous sacrificial seed layer located on the surface of the plating seed layer in the feature.
企図される最良の形態を例示することによって好ましい実施形態だけを示し説明した以下の詳細な説明を読めば、本開示の他の目的および利点が当業者には明白となろう。この開示は他の異なる実施形態を収容することができ、そのいくつか詳細は、この開示から逸脱することなく、明白な様々な点の変更を収容することができることを理解されたい。したがって以下の説明は単に例示を目的としたものあって、限定を意図したものではない。 Other objects and advantages of the present disclosure will become apparent to those skilled in the art after reading the following detailed description, which illustrates and describes only the preferred embodiments by way of illustration of the best mode contemplated. It should be understood that this disclosure can accommodate other different embodiments, and that some details can accommodate various obvious changes without departing from this disclosure. Accordingly, the following description is for illustrative purposes only and is not intended to be limiting.
新規の特徴であると考えられる本開示の諸特徴および本開示を特徴付ける諸要素は、添付の請求項に詳細に記載されている。図面は単に例示を目的にしたものである。しかし本開示は、その構成と機能方法の両方に関して、添付図面に関する以下の詳細な説明を参照することによって最もよく理解されることができる。 The features of this disclosure believed to be novel and the elements that characterize this disclosure are set forth with particularity in the appended claims. The drawings are for illustrative purposes only. However, the present disclosure can be best understood by referring to the following detailed description in conjunction with the accompanying drawings, both in terms of its construction and method of function.
本開示の理解を容易にするために図面を参照する。 To facilitate an understanding of the present disclosure, reference is made to the drawings.
従来技術の上記の問題および欠陥に留意し、本開示は、メタライゼーション内のボイディング、シームなどの不連続部の発生を低減することを可能にする構造を提供する。 Noting the above problems and deficiencies of the prior art, the present disclosure provides a structure that allows to reduce the occurrence of discontinuities such as voiding, seams, etc. in metallization.
図1に、層間誘電体16、誘電体16のトラフ(trough)の中に位置する障壁層18、および障壁層18の上に位置する導電層17を含む構造を示す。符号10および20はそれぞれ、層間誘電体材料14の中に位置するシングル・ダマシン・エッチング断面およびデュアル・ダマシン・エッチング断面を表す。符号11は、シングル・ダマシン・エッチング断面10内のトレンチを表す。符号12は、デュアル・ダマシン・エッチング断面20内のトレンチを表し、符号13はバイアを表す。層間誘電体16の表面、障壁層18の上および導電層17の一部分の上にはキャッピング層15がある。
FIG. 1 shows a structure including an interlayer dielectric 16, a
一般的な絶縁または誘電体材料14および16は、二酸化シリコン(SiO2)、リンケイ酸塩ガラス(PSG)、ホウ素ドープ(boron doped)PSG(BDPSG)またはオルトケイ酸テトラエチル(TEOS)を含み、より一般的には誘電率3.9未満の低k誘電体、例えばSILK(ダウ・ケミカル(DowChemical)社から入手可能)、SiCH(BLOKの商品名でAMAT社から入手可能)、SiCOH(Coralの商品名でNovellus社から、Black Diamondの商品名でAMAT社から、Auoraの商品名でASM社から入手可能)、SiCHN(N Blokの商品名でIBM社から入手可能)、CVD炭素ドープ酸化物、多孔質CVD炭素ドープ酸化物、多孔質および無孔有機ケイ酸塩、多孔質および無孔有機スピンオン・ポリマーを含む。
Common insulating or
一般的なキャッピング層の例は、SiCOH、Blok、SiO2、NBlok、Si3N4およびスピンオン・シルセスキオキサンである。キャッピング層の厚さは約10nmから約60nmである。キャッピング層15の機能は、誘電体層14中への相互接続材料17の拡散を防ぐことである。
Examples of typical capping layer, SiCOH, Blok, a SiO 2, NBlok, Si 3 N 4 and spin-silsesquioxane. The thickness of the capping layer is about 10 nm to about 60 nm. The function of the
障壁層18の例は、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、タングステン、窒化タングステン、ルテニウム、レニウム、コバルト、モリブデン、クロム、イリジウム、白金、シリコン、炭素、ジルコニウム、ニオブ、ロジウム、パラジウム、これらの混合物およびこれらの合金である。上記の金属の合金は、O、S、N、B、Pなどの様々な合金材料を含むことができる。ただし合金材料はこれらに限定されるわけではない。障壁層18はまた、同じ組成の複数の層または異なる組成の複数の層、あるいはその両方を含むことができる。
Examples of the
より一般的な障壁層は、タングステン、チタン、タンタル、これらの窒化物、Ru、およびこれらの合金である。障壁層18は一般に、化学蒸着(CVD)によって、または物理蒸着(PVD)、イオン化物理蒸着(IPVD)などのスパッタリングによって付着される。
More common barrier layers are tungsten, titanium, tantalum, their nitrides, Ru, and their alloys. The
障壁層の厚さは一般に約8nmから80nmである。 The thickness of the barrier layer is generally about 8 to 80 nm.
導電材料は一般に、Cu、Cu合金、Al、Al合金、Ag、Ag合金、Au、Au合金、WまたはW合金であり、より一般的にはCuを含む導電材料(例えばCuおよびCu合金)である。CuおよびCu合金用の一般的なめっき浴は、その開示が参照によって本明細書で組み込まれる米国特許出願公開2004/178078 A1に開示されている。 The conductive material is generally Cu, Cu alloy, Al, Al alloy, Ag, Ag alloy, Au, Au alloy, W or W alloy, and more generally a conductive material containing Cu (for example, Cu and Cu alloy). is there. Common plating baths for Cu and Cu alloys are disclosed in US Patent Application Publication No. 2004/178078 A1, the disclosure of which is incorporated herein by reference.
図2を参照する。この図では、構造の表面に、層間誘電体(ILD)14および導電層17の露出部分を覆う拡散障壁/めっきシード層21が付着されている。拡散障壁/めっきシード層21は一般にルテニウムまたはイリジウムあるいはその両方を含む。層21は複数の層、例えばRuとTaもしくはRuとTaN、またはRuとTaとTaN、IrとTaもしくはIrとTaN、またはIrとTaとTaN、RuとTiSiN、IrとTiSiNなどの複数の層を含むこともできる。
Please refer to FIG. In this figure, a diffusion barrier /
Ru、IrおよびTaNに関して層21は一般にCVDまたはALDによって付着される。とはいえRu、IrおよびTaNの付着についてはPVD付着技術も使用可能である。
For Ru, Ir and TaN,
層21の厚さは一般に約2nmから80nm、より一般的には約4nmから20nmである。
The thickness of
次に、めっきシード層21の上に、図3に示すような比較的に厚い犠牲シード層31を付着させる。犠牲シード層31は一般にCuまたはCu合金であり、一般にPVDによって付着される。
Next, a relatively thick
層31を付着させるのは、層21の酸化を防ぎまたは少なくとも最小限に抑えるためである。犠牲シード層31は、めっきシード層21と同じ真空中で操作されるプラットホームで付着され、そのためこれらの2つの膜の付着と付着の間に空気への暴露は起こらず、付着された層21の表面は酸素を含まない。プラットホームはいくつかの付着チャンバを含み、これらのチャンバとチャンバの間のウェハの輸送は真空で実施され、その間に空気への暴露は生じない。
The
犠牲シード層31の厚さは一般に約3nmから約100nm、より一般的には約5nmから約50nmである。この層は、下層21を酸化の危険にさらす可能性がある不連続部またはピン・ホールあるいはその両方の可能性を最小限に抑えるため十分に厚い必要がある。
The thickness of the
単一のプラットホーム内で層21および31を付着させた後、犠牲層31の厚さ低減プロセス(thickness thinning process)およびパターン形成されたフィーチャ内への導電材料の付着のため、ウェハを別のプラットホームに移す。この厚さ低減プロセスおよび導電材料付着プロセスの間、ウェハはその全体がめっき浴の中に完全に浸される。
After depositing
図4に示すように、逆めっきプロセスを使用することによって犠牲シード31の厚さを低減させ、薄くされた層41を作成する。この逆めっきプロセスは電気めっき浴中の電流を反転させることを含む。一般的な逆めっきプロセスは、本出願の譲受人であるIBM社(International Business Machines Corporation)に譲渡された、ダッタ(Datta)の米国特許No.5,486,282に記載されている。この厚さ低減プロセスは化学エッチングを含み、一例では第二銅イオンが銅と反応して第一銅イオンを形成する化学エッチングを含む。犠牲シード層31の厚さ低減プロセスと導電層71の付着プロセスは同じめっき浴中で実施され、これらのプロセスの間、ウェハはめっき浴中に完全に浸されるので、その下の層21が空気にさらされることは完全に防止される。
As shown in FIG. 4, the thickness of the
薄くされた犠牲層の厚さは一般に層31の厚さの50%未満、より一般的には層31の厚さの20%未満である。
The thickness of the thinned sacrificial layer is generally less than 50% of the thickness of
よりいっそう一般的なプロセスでは、この逆めっきプロセスを継続して図5に示すような不連続な犠牲シード層51を作成する。この不連続な犠牲シード層51の厚さは一般に1nmから約10nmであり、この層はその下の層21の少なくとも約30%を覆う。
In a more general process, the reverse plating process is continued to create a discontinuous
所望の厚さの層41が得られたときを決定するため、図6に示すように、この逆めっきプロセスの間、ウェハの抵抗率を監視することができる。 To determine when the desired thickness of layer 41 is obtained, the resistivity of the wafer can be monitored during this reverse plating process, as shown in FIG.
次に、図7に示すように、一般に無電解めっきまたは電気めっきによって、導電性相互接続71をブランケット付着させて、開口11、12および13を埋める。一般的な相互接続材料71は、Cu、CuAlなどのCu合金、Al、AlCuなどのAl合金、Ag、Ag合金、Au、Au合金、WおよびW合金であり、CuおよびCu合金がより一般的である。適当な無電解めっき浴および電気めっき浴は知られており、本明細書で説明する必要はない(とはいえ可能ならば何らかの文献を参照されたい)。一般的な技法は、米国特許出願No. 09/348,632およびアンドリカコス(Andricacos)他の米国特許No. 6,331,237 B1に開示されている。犠牲シード層31の厚さ低減プロセスと導電層71の付着プロセスは同じめっき浴中で実施され、これらのプロセスの間、ウェハはめっき浴中に完全に浸されるので、その下の層21が空気にさらされることは完全に防止される。
Next, as shown in FIG. 7,
次いで、図8に示すように、この構造を化学機械研磨(CMP)などによって平坦化して、過剰な相互接続材料71を除去する。CMP用の一般的なスラリは、アルミナ、シリカ、セリア、ジルコニア、二酸化チタンなどの研磨粒子、および硝酸第二鉄、ヨウ素酸カリウム、硝酸アンモニウムセリウム、フェリシアン化カリウム、硝酸銀、次亜塩素酸ナトリウム、過塩素酸カリウム、過マンガン酸カリウム、過酸化水素などの酸化剤を含む。
Next, as shown in FIG. 8, the structure is planarized by chemical mechanical polishing (CMP) or the like to remove
以上の記述は本開示を示し説明したものである。さらに、本開示は好ましい実施形態だけを示し説明したものであるが、前述のとおり本開示は、他の様々な組合せ、変更および環境での使用を収容することができ、上記の教示または関連技術の技能もしくは知識あるいはその両方に対応する、本明細書に表現された本発明のコンセプトの範囲内の変更または修正を収容することができる。さらに、本明細書に説明した実施形態は、出願人が知る最良の形態を説明すること、ならびに、このような実施形態または他の実施形態において、およびその特定の応用または使用が要求する様々な修正を加えて、当業者が本開示を利用することができるようにすることを意図したものである。したがって以上の記述は、本明細書に開示された形態に本発明を限定することを意図したものではない。または、添付の請求項は代替の実施形態を含むものと解釈されたい。 The above description illustrates and describes the present disclosure. Further, although the present disclosure has shown and described only preferred embodiments, as described above, the present disclosure can accommodate various other combinations, modifications, and uses in the environment, and the above teachings or related techniques. Changes or modifications within the scope of the inventive concept expressed herein may be accommodated which correspond to the skills and / or knowledge of the present invention. Further, the embodiments described herein describe the best mode known to the applicant, as well as the various applications required in such and other embodiments and for their particular application or use. The modifications are intended to enable those skilled in the art to utilize the present disclosure. Accordingly, the above description is not intended to limit the invention to the form disclosed herein. Alternatively, the appended claims should be construed to include alternative embodiments.
本明細書に引用された出版物および特許出願はすべて、あたかもこれらが参照によって本明細書に組み込まれると個別かつ明確に示されたかのように、あらゆる目的のため参照によって本明細書に組み込まれる。 All publications and patent applications cited herein are hereby incorporated by reference for all purposes as if they were individually and clearly indicated as incorporated herein by reference.
10 シングル・ダマシン・エッチング断面
11 トレンチ
12 トレンチ
13 バイア
14 層間誘電体
15 キャッピング層
16 層間誘電体
17 導電層
18 障壁層
20 デュアル・ダマシン・エッチング断面
21 めっきシード層
31 犠牲シード層
41 薄くされた層
51 不連続な犠牲シード層
71 導電層
10 Single Damascene Etched
Claims (7)
パターン形成された凹部をその内部に有する誘電体層を含む構造を用意するステップと、
前記パターン形成された凹部内の前記誘電体層の表面にRuまたはIrあるいはその両方を含むめっきシード層を付着するステップと、
前記パターン形成された凹部内の前記めっきシード層の表面にCuまたはCu合金を含む犠牲シード層を付着するステップと、
前記犠牲シード層の厚さをめっき浴中での逆めっきによって元の厚さの少なくとも50%まで低減させるステップと、
前記パターン形成された凹部内の厚さが減少された前記犠牲シード層の表面に前記めっき浴中でCu、Al、Ag、Au、Wおよびこれらの合金からなるグループから選択される導電材料をめっきするステップと、
を含む方法。 A method for manufacturing a conductor-dielectric interconnect structure comprising:
Providing a structure including a dielectric layer having patterned recesses therein;
Depositing a plating seed layer comprising Ru or Ir or both on the surface of the dielectric layer in the patterned recess;
Depositing a sacrificial seed layer comprising Cu or a Cu alloy on the surface of the plating seed layer in the patterned recess;
Reducing the thickness of the sacrificial seed layer to at least 50% of its original thickness by reverse plating in a plating bath;
A conductive material selected from the group consisting of Cu, Al, Ag, Au, W and alloys thereof is plated in the plating bath on the surface of the sacrificial seed layer having a reduced thickness in the patterned recess. And steps to
Including methods.
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